Présentation
Auteur(s)
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Serge BORIES : Directeur de Recherche au Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS),Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse
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Marc PRAT : Chargé de Recherche au CNRS, Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse
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Lire l’articleINTRODUCTION
O n désigne communément par milieu poreux un solide de forme compliquée délimitant et englobant des vides appelés pores. Ces vides peuvent communiquer entre eux et contenir une ou plusieurs phases fluides pouvant s’écouler et, éventuellement, échanger entre elles et/ou avec le solide de la matière et/ou de l’énergie. La partie solide, encore appelée matrice, peut être déformable mais doit avoir une certaine cohésion, ce qui exclut de notre définition les lits fluidisés constitués de particules solides tenues en suspension sous l’effet d’un écoulement du fluide interstitiel.
On trouve de nombreux exemples de milieux poreux dans la vie courante : textiles, cuirs, papiers, tissus, matériaux de construction, isolants, sols, filtres, revêtements d’échangeurs, plats et légumes déshydratés, etc., en constituent autant d’illustrations (figure 1 ).
D’une très grande variété, aussi bien de structure (forme et taille des grains et des pores de la matrice) que de nature (propriétés physico-chimiques des matériaux constitutifs) ou d’échelles spatiales (plusieurs dizaines de kilomètres cubes pour les gisements d’hydrocarbures et les nappes d’eau souterraines, à quelques millimètres cubes pour certains types de membranes filtrantes), les milieux poreux occupent une large place et jouent un rôle important dans de nombreux secteurs industriels et phénomènes naturels. En se limitant à quelques exemples typiques, on peut notamment citer : le génie pétrolier, le génie chimique et l’électrochimie, l’hydrogéologie, la géothermie, le génie thermique, le génie civil, la médecine, la biochimie...
Les phénomènes qui se déroulent dans les milieux poreux dépendent, en général, d’un certain nombre de propriétés dont : les propriétés de stockage des fluides (soit sous forme adsorbée sur le solide, soit remplissant les pores), les propriétés de transferts (masse, quantité de mouvement, énergie) et enfin les propriétés mécaniques. Comme pour tous les systèmes hétérogènes polyphasiques, ces propriétés sont évidemment fonction de la morphologie de la matrice et des phénomènes qui se développent et interagissent dans les différentes phases, ce qui rend le champ d’étude des transferts de chaleur en milieux poreux particulièrement vaste. De ce fait, les éléments développés ici n’ont pas la prétention d’épuiser le sujet. Ils tentent simplement, après l’introduction des notions indispensables, concernant la caractérisation des milieux poreux, de constituer une synthèse et une initiation à des ouvrages plus spécialisés.
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Modélisation des phénomènes de transferts1. Classification et caractérisation des milieux poreux
1.1 Classification
La matrice solide d’un milieu poreux peut être :
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non consolidée : la phase solide est alors formée de grains ou de fibres non soudés entre eux (graviers, sables, limons, billes de verre et d’acier, matériaux divers...) ; les billes de verre sont notamment très utilisées en laboratoire pour étudier les phénomènes de transfert en milieu poreux ;
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consolidée : dans ce cas, la matrice solide compacte ne peut pas se diviser en grains ou fibres (roches calcaires, grès, argiles, bois, céramiques, poudres frittées, tissus végétaux et animaux...).
1.2 Caractérisation
Les phénomènes qui se déroulent dans les milieux poreux dépendent de la géométrie de la matrice, celle-ci est donc caractérisée par un certain nombre de grandeurs moyennes, géométriques ou statistiques.
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La porosité se définit comme le rapport du volume des vides au volume apparent du milieu poreux. On distingue :
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la porosité totale qui tient compte des cavités occluses au sein du solide (pores fermés) :
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la porosité accessible ou espace poreux connecté à travers lequel s’effectue l’écoulement des masses fluides :
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La surface spécifique se définit comme le rapport de l’aire de la surface totale des interfaces solide-pores Asf au volume de l’échantillon V :
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Cette grandeur, homogène à l’inverse d’une longueur,...
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